Arbeidsprinsippet og hovedtypene avhalvlederlaser
HalvlederLaserdioder, med sin høye effektivitet, miniatyrisering og bølgelengdediversitet, er mye brukt som kjernekomponenter i optoelektronisk teknologi innen felt som kommunikasjon, medisinsk behandling og industriell prosessering. Denne artikkelen introduserer videre arbeidsprinsippet og typene halvlederlasere, noe som er praktisk for valg av referanse for de fleste optoelektroniske forskere.
1. Lysutsendelsesprinsippet til halvlederlasere
Luminescensprinsippet til halvlederlasere er basert på båndstrukturen, elektroniske overganger og stimulert emisjon fra halvledermaterialer. Halvledermaterialer er en type materiale med et båndgap, som inkluderer et valensbånd og et ledningsbånd. Når materialet er i grunntilstand, fyller elektroner valensbåndet, mens det ikke er noen elektroner i ledningsbåndet. Når et bestemt elektrisk felt påføres eksternt eller en strøm injiseres, vil noen elektroner gå over fra valensbåndet til ledningsbåndet og danne elektron-hull-par. Under prosessen med energifrigjøring, når disse elektron-hull-parene stimuleres av omverdenen, vil fotoner, det vil si lasere, bli generert.
2. Eksitasjonsmetoder for halvlederlasere
Det finnes hovedsakelig tre eksitasjonsmetoder for halvlederlasere, nemlig elektrisk injeksjonstype, optisk pumpetype og høyenergi-elektronstråleeksitasjontype.
Elektrisk injiserte halvlederlasere: Vanligvis er de halvlederoverflateforbindelsesdioder laget av materialer som galliumarsenid (GaAs), kadmiumsulfid (CdS), indiumfosfid (InP) og sinksulfid (ZnS). De eksiteres ved å injisere strøm langs den fremoverrettede forspenningen, noe som genererer stimulert emisjon i forbindelsesplanområdet.
Optisk pumpede halvlederlasere: Vanligvis brukes N-type eller P-type halvleder-enkeltkrystaller (som GaAS, InAs, InSb, etc.) som arbeidsstoff, oglasersom sendes ut av andre lasere brukes som optisk pumpet eksitasjon.
Høyenergi-elektronstråleeksiterte halvlederlasere: Vanligvis bruker de også N-type eller P-type halvleder-enkeltkrystaller (som PbS, CdS, ZhO, etc.) som arbeidsstoff og eksiteres ved å injisere en høyenergi-elektronstråle utenfra. Blant halvlederlaserenheter er den med bedre ytelse og bredere anvendelse den elektrisk injiserte GaAs-diodelaseren med en dobbel heterostruktur.
3. Hovedtypene av halvlederlasere
Det aktive området til en halvlederlaser er kjerneområdet for fotongenerering og -forsterkning, og tykkelsen er bare noen få mikrometer. Interne bølgelederstrukturer brukes til å begrense den laterale diffusjonen av fotoner og forbedre energitettheten (som ryggbølgeledere og nedgravde heterojunksjoner). Laseren bruker en kjøleribbedesign og velger materialer med høy termisk ledningsevne (som kobber-wolframlegering) for rask varmespredning, noe som kan forhindre bølgelengdedrift forårsaket av overoppheting. I henhold til deres struktur og bruksscenarier kan halvlederlasere klassifiseres i følgende fire kategorier:
Kantemitterende laser (EEL)
Laseren sendes ut fra kløyvingsflaten på siden av brikken og danner en elliptisk flekk (med en divergensvinkel på omtrent 30° × 10°). Typiske bølgelengder inkluderer 808 nm (for pumping), 980 nm (for kommunikasjon) og 1550 nm (for fiberkommunikasjon). Den er mye brukt i industriell skjæring med høy effekt, fiberlaserpumpekilder og optiske kommunikasjonsnettverk.
2. Vertikal hulromsoverflateemitterende laser (VCSEL)
Laseren sendes ut vinkelrett på overflaten av brikken, med en sirkulær og symmetrisk stråle (divergensvinkel <15°). Den integrerer en distribuert Bragg-reflektor (DBR), noe som eliminerer behovet for en ekstern reflektor. Den er mye brukt i 3D-sensorer (som ansiktsgjenkjenning på mobiltelefoner), optisk kommunikasjon med kort rekkevidde (datasentre) og LiDAR.
3. Kvantekaskadelaser (QCL)
Basert på kaskadeovergangen av elektroner mellom kvantebrønner, dekker bølgelengden det mellom- til fjerninfrarøde området (3–30 μm), uten behov for populasjonsinversjon. Fotoner genereres gjennom intersubbåndoverganger og brukes ofte i applikasjoner som gassmåling (som CO₂-deteksjon), terahertz-avbildning og miljøovervåking.
Den avstemmbare laserens utvendige hulromsdesign (gitter/prisme/MEMS-speil) kan oppnå et bølgelengdeavstemmingsområde på ±50 nm, med en smal linjebredde (<100 kHz) og et høyt sidemodusavvisningsforhold (>50 dB). Den brukes ofte i applikasjoner som tett bølgelengdedelingsmultipleksing (DWDM) kommunikasjon, spektralanalyse og biomedisinsk avbildning. Halvlederlasere er mye brukt i kommunikasjonslaserenheter, digitale laserlagringsenheter, laserbehandlingsutstyr, lasermerkings- og pakkeutstyr, lasersetting og -trykking, lasermedisinsk utstyr, laseravstands- og kollimeringsdeteksjonsinstrumenter, laserinstrumenter og -utstyr for underholdning og utdanning, laserkomponenter og -deler, etc. De tilhører kjernekomponentene i laserindustrien. På grunn av det brede spekteret av bruksområder finnes det en rekke merker og produsenter av lasere. Når man tar et valg, bør det være basert på spesifikke behov og bruksområder. Ulike produsenter har forskjellige bruksområder innen ulike felt, og valget av produsenter og lasere bør gjøres i henhold til prosjektets faktiske bruksfelt.
Publisert: 05. november 2025